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Signal

Calculadora de Relación Señal a Ruido (SNR)

Calcula la relación señal a ruido (SNR) en dB a partir de potencias de señal y ruido.

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Fórmula

Nfloor=kTB+NF,SNR=PsignalNfloorN_floor = kTB + NF, SNR = P_signal - N_floor

Referencia: Friis, 'Noise Figures of Radio Receivers', Proc. IRE, 1944

kConstante de Boltzmann (J/K)
TTemperatura (K)
BAncho de banda (Hz)
NFFigura de ruido (dB)
SNRRelación señal/ruido (dB)

Cómo Funciona

La calculadora SNR calcula la relación señal/ruido y el nivel mínimo de ruido del receptor, algo esencial para el análisis del presupuesto de los enlaces de RF, el diseño del sistema de radar y la planificación de la comunicación inalámbrica. Los ingenieros de radiofrecuencia, los arquitectos de sistemas inalámbricos y los técnicos de pruebas la utilizan para determinar la sensibilidad del receptor y predecir el alcance de la comunicación. Según el teorema de capacidad de canal de Shannon (1948), la SNR limita directamente la velocidad máxima de datos: una mejora de la SNR de 10 dB duplica el rendimiento alcanzable. El nivel mínimo de ruido térmico es N = kTB, donde k = 1,380649e-23 J/K (constante de Boltzmann exacta del SI de 2019), T = temperatura absoluta y B = ancho de banda. A una temperatura de referencia de 290 K, la densidad del ruido térmico es de -174 dBm/Hz, el límite fundamental para cualquier receptor. Los receptores LTE modernos alcanzan niveles de ruido de 6 a 8 dB, mientras que los LNB de satélite alcanzan los 0,5 a 1,0 dB. Según Proakis «Digital Communications» (5ª ed., cap. 5), una mejora de la SNR de 3 dB reduce la tasa de error de bits en aproximadamente un orden de magnitud en la modulación QPSK.

Ejemplo Resuelto

Un receptor de estación base 5G NR funciona a 3,5 GHz con un ancho de banda de 100 MHz y una cifra de ruido de 5 dB. Calcule el nivel mínimo de ruido y el nivel de señal requerido para una SNR de 20 dB. Paso 1: Ruido térmico = -174 + 10*log10 (100e6) = -174 + 80 = -94 dBm. Paso 2: Nivel de ruido efectivo = -94 + 5 dB NF = -89 dBm. Paso 3: Señal requerida = -89 + 20 = -69 dBm para una SNR de 20 dB. Esto coincide con los requisitos de sensibilidad de referencia del 3GPP TS 38.104 para el NR FR1. Con esta SNR, el 64-QAM alcanza un BER < 1e-6 sin necesidad de codificación, lo que permite un rendimiento de 150 Mbps por canal de 100 MHz, según la tabla 5.3 de Proakis.

Consejos Prácticos

  • Según IEEE 1139-2008, mida siempre la cifra de ruido a una temperatura de referencia de 290 K para obtener especificaciones comparables
  • Utilice amplificadores de bajo ruido con NF < 1 dB para aplicaciones de radioastronomía y satélites según ITU-R SA.509
  • Añada un margen de implementación de 3 a 6 dB por encima de la sensibilidad teórica para las variaciones de producción (práctica estándar de la industria)

Errores Comunes

  • El uso de la temperatura ambiente (300 K) en lugar de la referencia estándar IEEE de 290 K provoca un error de 0,15 dB en los cálculos de ruido
  • No tener en cuenta la cifra de ruido al calcular la sensibilidad: un NF de 6 dB degrada la sensibilidad exactamente en 6 dB
  • Ignorar las pérdidas de cables y conectores antes del LNA: una pérdida de 1 dB antes de un LNA NF de 2 dB eleva la NF del sistema a 2,8 dB según la fórmula de Friis

Preguntas Frecuentes

La potencia acústica aumenta linealmente con el ancho de banda: al duplicar el ancho de banda se eleva el nivel de ruido en exactamente 3,01 dB. Un aumento de 10 veces en el ancho de banda añade 10 dB al nivel mínimo de ruido. Según el teorema de Shannon-Hartley, un ancho de banda más amplio permite velocidades de datos más altas, pero requiere señales proporcionalmente más fuertes.
LNBs satelitales: 0,5-1,0 dB. Estaciones base celulares: 2-4 dB. Receptores WiFi: 4-6 dB. Receptores GPS: 1,5-2,5 dB. Dispositivos de consumo: 6-10 dB. Según Razavi «RF Microelectronics» (2ª ed.), cada mejora de 1 dB en la NF amplía el alcance en aproximadamente un 12% en el caso de la potencia de transmisión fija.
Sí, el ruido térmico se escala con la temperatura absoluta. La refrigeración de 290 K a 20 K (LNA criogénico) reduce el ruido en 10*log10 (290/20) = 11,6 dB. Los radiotelescopios utilizan sistemas criogénicos de 4K que alcanzan una temperatura de ruido equivalente a entre 3 y 5 K según los estándares IEEE MTT-S.
Según Pozar, «Microwave Engineering» (4ª ed., cap. 11): (1) Utilice LNA con NF < 1 dB como primera etapa: domina la NF del sistema según la ecuación de Friis. (2) Minimice la pérdida de cable antes del LNA. (3) Reduzca el ancho de banda al mínimo requerido. (4) Interfaz genial para aplicaciones criogénicas. Cada mejora de sensibilidad de 3 dB duplica el alcance máximo.
BPSK: 10,5 dB para Ber=1E-6. QPSK: 10,5 dB. 16-QAM: 17 dB. 64 QAM: 23 dB. 256 QAM: 29 dB. Según 3GPP TS 36.101, LTE requiere una SNR de 15,4 dB para un MCS 20 de 64 QAM. El WiFi 6 (802.11ax) 1024-QAM necesita una SNR de 35 dB según la especificación IEEE 802.11ax-2021.

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